JPWO2008105156A1 - 偏光イメージング装置，及び微分干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の強度情報と位相情報を同時に取得できる微分干渉顕微鏡を提供する。【解決手段】画素単位で透過軸方位を変えた偏光子アレイと撮像素子の組み合わせにより，偏光状態の空間分布を一度の撮影で取得できる偏光イメージング装置を用いて，微分干渉顕微鏡の像を観察し，そこから計算を行うことで，強度情報と位相情報を分離して取得できる。【選択図】図７

Description

本発明は，偏光イメージング装置，及び微分干渉顕微鏡に関する。より具体的に説明すると，本発明は，特殊な偏光子アレイ又は波長板アレイと，１／４波長板とを組み込むことで，簡便な装構成により，観測対象の厚さ，反射率及び透過率の変化を観測することができる微分干渉顕微鏡，及びそのような顕微鏡に用いられる偏光イメージング装置に関する。

まず図１，図２を用いて微分干渉顕微鏡の一般的な構成について説明する。図１は，透過光学系の微分環境顕微鏡の構成図である。なお図中では顕微鏡に必要なレンズ，フィルタは省略してある。光源１０１から出た光を，偏光子１０２を用いて，例えばｘ方向もしくはｙ方向の直線偏光にする。そして，ｘ方向に４５度（正負は問わない）の角度をなす異方性軸を持つ偏光分離素子１０３（例えばノマルスキープリズム）を用いて，偏光分離素子１０３の異方性軸の方向の偏光成分とそれに直交する方向の偏光成分ごとに経路を微小に分離させ，観測対象１０４に透過させる。そして，それらの光線を偏光分離素子１０３と同方向の異方性軸を持つ偏光分離素子１０５を通して結合し，干渉させ，偏光子１０６を通すことで観察物の凹凸もしくは位相差変化を明暗の情報に変換して，カメラ１０７で観察する。もちろん，微分干渉顕微鏡は，カメラを用いず接眼レンズを通して肉眼で観察を行っても構わない。

図２は反射光学系の微分干渉顕微鏡の構成を示す。図１と同様に顕微鏡に必要なレンズ，フィルタは省略してある。光源２０１から出た光を，偏光子２０２を用いて，例えばｙｚ面においてｙ方向もしくはｚ方向に偏光方向をそろえる。そして，ハーフミラー２０３でビームの向きを変え，ｘ方向に対し４５度（正負は問わない）の方向に異方性軸を持つ偏光分離素子２０４（例えばノマルスキープリズム）を用いて，偏光分離素子２０４の異方性軸方向の偏光成分とそれに直交する方向の偏光成分ごとに経路を微小に分離させ，被観察物２０５で反射し，それらの光線を再び偏光分離素子２０４を通して結合し，干渉させ，偏光子２０６を通すことで観察物の凹凸もしくは位相差変化を明暗の情報に変換して，カメラ２０７で観察する。カメラではなく接眼レンズを通して肉眼で観察を行っても構わない。

透過光学系と反射光学系の構成部品は異なるが，基本的な原理は同じであるため，本明細書では透過光学系について説明を行う。ただし，本明細書において開示された技術は，反射光学系においても同様に適用できる。

上述したとおり，微分干渉顕微鏡では光線を，それぞれ直行した偏光で空間的に微小な距離だけ分離し，観測対象上の異なる点を透過もしくは反射させ，それらの光線を重ね合わせ，干渉させ，偏光子を通してその明暗を見る。

微分干渉顕微鏡のメカニズムを図１の透過光学系と図３に各段階での偏光状態を示した図を用いて説明する。図３はカメラ１０７から光源１０１の方向に見た図を示す。例えば，観測対象１０４の透過率が図３の３０３，３０４に示すようにｘｙ面内で透過率の高い領域３０３と低い領域３０４に分かれている場合を考える。入射光の偏光状態は３０１に示すようであり，３０２に示すように偏光分離素子１０３を透過した光は互いに直交する偏光として空間的に分離される。観測対象１０４上での分離された２本の光の位置を３０３，３０４中で黒丸，白丸で明示する。両方とも領域３０３を透過した場合（左），それぞれの光線が領域３０３，領域３０４を透過した場合（中），両方とも領域３０４を透過した場合（右）について考える。それらが観測対象１０４を透過した後の偏光状態は３０５のようになる。符号３０５が示すように，それぞれ透過する場所により振幅が変化するため，それらが偏光分離素子１０５を通過し結合した後では３０６に示すように，透過率が２本とも同じ領域を透過した場合は，偏光方向は入射光から変化しないが，２本の光線が異なる透過率の領域を透過したものについては変化する。したがって，その後に入射光の偏光方向と直交する透過軸方向を持つ偏光子を通すことで，３０７のように透過率が２本光線とも同じ領域を透過した場合は偏光子で消光されるため強度はなくなるが，２本の光線が異なる透過率の領域を透過したものについては偏光子を透過する成分があるため，透過率の変化の傾き（つまり微分）を明暗に変換してみることができる。

図３において偏光子１０２の透過軸方向を示す３０１の偏光方向をｘ軸の正方向から，ｙ軸の正方向に向けて４５度傾けた角度で配置し，領域３０３の透過率をt₁ ²，領域３０４の透過率をt₂ ²とする。偏光子１０６の透過軸の角度をθとし，偏光子１０２を透過した光の強度を１とするとカメラ１０７で得られる強度Iは下記式（１）で表すことができる。

先に説明した内容は，θ=１３５度の場合である。

図４は，一方で観測対象の透過率に空間的な変化はなく，光学的厚さのみ変化する場合を説明するための図である。図４はカメラ１０７から光源１０１の方向に見た図を示す。例えば，観測対象１０４の光学的厚さが図４の４０３，４０４に示すようにｘｙ面内で光学的厚さが異なる場合を考える。光学的厚さは屈折率が変化した場合でも，厚さが変化した場合でも構わない。入射光の偏光状態は４０１に示すようであり，４０２に示すように偏光分離素子１０３を透過した光は互いに直交する偏光として空間的に分離される。観測対象１０４上での分離された２本の光の位置を４０３，４０４中で黒丸，白丸で明示する。両方とも領域４０４を透過した場合（左），それぞれの光線が領域４０４，領域４０３を透過した場合（中），両方とも領域４０３を透過した場合（右）について考える。それらが観測対象４０３を透過した後の，偏光状態は４０５のようになる。偏光方向，振幅は変化しないが，光学的厚さが異なると位相がずれる。したがってそれらが偏光分離素子を通過し結合した後では４０６に示すように，光学的厚さが２本の光線とも同じ領域を透過した場合は，２本の光線の間の位相差はなく，入射光と同じ直線偏光となるが，２本の光線が異なる光学的厚さの領域を透過したものについては２本の光線間に位相差が生じ楕円偏光もしくは円偏光となる。図中では右回りの楕円偏光を示しているが，光学的厚さの大小関係で，左回りにもなることはある。したがって，その後に入射光の偏光方向と直交する透過軸方向を持つ偏光子を通すことで，４０７のように光学的厚さが２本光線とも同じ領域を透過した場合は偏光子で消光されるため強度はなくなるが，２本の光線が光学的厚さが異なる領域を透過したものについては偏光子を透過する成分があるため，光学的厚さの変化の傾き（つまり微分）を明暗に変換してみることができる。

図４において偏光子１０２の透過軸方向を示す４０１の偏光方向をｘ軸の正方向から，ｙ軸の正方向に向けて４５度傾けた角度で配置し，領域４０３と領域４０４を透過した光の間の位相差をΔ，偏光子１０６の透過軸の角度をθとし，偏光子１０２を透過した光の強度を１とするとカメラ１０７で得られる強度Iは下記式（２）で表すことができる。

先に説明した内容は，θ＝１３５度の場合である。

観測対象に透過率と光学的厚さの両方に分布がある場合は，前記と同様に２本に分かれた光線がそれぞれ観測対象へ入射する部分での透過率をt₁，t₂，それぞれの光線の間に生じる位相差をΔ，偏光子１０６の透過軸の角度をθとし，偏光子１０２を透過した光の強度を１とするとカメラ１０７で得られる強度Iは下記式（３）で表すことができる。

式の上からパラメータθを変化させても，t₁，t₂，及びΔを独立に求めることが不可能であることがわかる。また，図３と図４を比較しても，透過率の空間的変化がある場合と光学的厚さに変化がある場合とで区別をすることは，通常の微分干渉顕微鏡ではできないことは明らかである。

先に説明したとおり，従来の微分干渉顕微鏡では観測対象の厚さもしくは屈折率の変化と反射率もしくは透過率の変化を区別して観察することはできなかった。こうした問題についての以下の二つの解決方法が提案されている。すなわち，伊藤 雅英，石渡 裕，塚田 明宏，谷田貝 豊彦，「位相変調型微分干渉顕微鏡 −透過物体の位相分布の定量測定―」，光学，vol.30，no.9，pp.605-612（2001）（下記非特許文献１）及びHiroshi Ohki, Ｙutaka Iwasaki, and Jun Iwasaki, “Differential interference contrast
microscope with differential detection for optimiｚing
image contrast,” Applied Optics, vol.35, no.13, pp.2230-2234(1996)（下記非特許文献２）である。

文献１について図５を用いて説明する。なお図中では顕微鏡として必要なレンズは省略して描いてある。通常の微分干渉顕微鏡の光源側の偏光子と偏光分離素子の間に，４分の１波長板５０３を挿入した構成である。波長板の光軸は，たとえばノマルスキープリズムなどの偏光分離素子の異方性軸（ｘ方向もしくはｙ方向）と４５度なす角度に配置する。偏光子５０２を回転することにより波長板を透過する偏光状態は，偏光子の透過軸が波長板の光軸に平行もしくは垂直な場合は直線偏光となり，それ以外の角度では楕円偏光もしくは円偏光となる。その光は偏光分離素子５０３透過後，空間的に分離されるが，分離されたビーム間の位相差は上記偏光子５０２の角度により変化させることができる。

例えば５０４で分離される光線の互いの位相差を０度，９０度，１８０度，２７０度という４つの状態でそれぞれ像を観察することができる。観察される像は上記分離されたビーム間の干渉により，位相差と振幅の差が合成され，強度となっているが，複数の位相差の像の差分から，振幅の大きさと位相差を個別に導出することができる。したがって，例えば同じ屈折率の材料からなり，表面に段差が付いている観測対象を観察した場合，算出した位相差の値から段差の高さを算出することが可能となり，見え方が改善されるだけではなく，定量的なデータを得ることができる。

図５においてｘ軸の正の方向を０度とし，ｙ軸の正の方向に向かって角度が増加するとして，偏光子５０２の角度をθ，４分の１波長板の進相軸方向を４５度に配置し，偏光分離素子５０４で光線が分離され，観測対象５０５を透過した後に偏光分離素子５０５で再び合成され，４５度方向に透過軸を持つ偏光子５０７をカメラ５０８で受光する場合を考える。
偏光子５０２を透過した光の強度を１とし，観測対象面で２本に分かれた光線はそれぞれ透過率t₁ ²，t₂ ²の領域を透過し，その間に位相差Δが生じる場合，ディテクタ５０８で受光される強度I_θは下記（式４）で表される。

偏光子５０２を０度，４５度，９０度，１３５度に配置した際の受光強度をI₀，I₄₅，I₉₀，I₁₃₅とすると

と表される。これらからt₁，t₂，Δを得ることができる。

次に文献２の方法を図６にしたがって説明する。図６は，文献２に開示された方法を説明するための図である。文献２では光源６０１にレーサ光源を用いた微分干渉顕微鏡の接眼レンズ側の偏光分離素子６０５の後に，やはり偏光分離素子の異方性軸(ｘ方向もしくはｙ方向)と４５度をなす角度に光軸を持つ４分の１波長板６０６，回転可能な２分の１波長板６０７を順に挿入し，それらを透過した光を偏光分離素子６０８に入れ，互いに直交する偏光を空間的に分離する。ここでの偏光分離素子は例えばグラントムソンプリズムなど，偏光ごとに光路の角度を大きく変える素子である。偏光分離したそれぞれの光をディテクタ６０９とディテクタ６１０でそれぞれ受光しそれら強度空必要な情報を得る。レーザ光源６０1を観測対象面上でスキャンすることで，画像データを取得する。

例えば図６でｘ軸方向を０度とする。偏光子６０２でｘ軸の正方向から，ｙ軸の正方向に向けて偏光方向が４５度傾いた直線偏光を作成し，ｘ軸方向に異方性軸をもつ偏光分離素子６０３で光線を分離し，観測対象面６０４に入射した後にｘ軸方向に異方性軸をもつ偏光分離素子６０５で光線を合成し，ｘ軸方向に進相軸を持つ４分の１波長板６０６，角度θの方向に進相軸を持つ２分の１波長板６０７を透過し，偏光分離素子６０８においてｘ軸方向の偏光成分，ｙ軸方向の偏光成分に分離され，それぞれディテクタ６０９，６１０で受光する場合を考える。偏光子６０２を透過した光の強度を１とし，観測対象面で２本に分かれた光線はそれぞれ透過率t₁ ²，t₂ ²の領域を透過し，その間に位相差Δが生じる場合，ディテクタ６０９で受光される強度I₁は下記式（９）で表される。

またディテクタ６１０で受光される強度I₂は下記式（１０）で表される。

例えばθ=0度の場合，

となり，t₁，t₂が求まる。θ=22.5度の場合

となるため，式（１１）式（１２）と合わせてΔを求めることができる。

上記文献１も文献２も観測対象の透過率の情報と光学的厚さの情報を分離してみることができるため，従来の微分干渉では得られなかった情報を得ることができる。さらに偏光子５０７もしくは２分の１波長板６０７の角度を調整することで，振幅と位相の情報を適当に重ね合わせた画像を得ることができ，観測対象によって見え方を調整することができる。

例えば凹凸のある透明物体上に乗った透過率の異なる異物があった場合，従来の微分干渉顕微鏡では透明物体の凹凸と，物質の透過率の違いが同様に像の明暗として区別できなかったが，文献２の方法をとることで異物の像のみを明確に観察することができる。
文献１と文献２は用いている光学系の構成は異なるが，微分干渉顕微鏡観察において，光の強度情報と位相情報を分離して取得しようということでは同じである。

ただし，文献１では４分の１波長板５０３の回転系が必要であり，また文献２ではやはり２分の１波長板６０７を回転する必要があるため，データの取得に時間がかかり，本質的に細胞など動く観測対象の観察は不適である。またデータ取得を自動で行う場合には前記回転系の制御と撮影のタイミングを取る必要があり，システムが複雑となる。
伊藤 雅英，石渡 裕，塚田 明宏，谷田貝 豊彦，「位相変調型微分干渉顕微鏡 −透過物体の位相分布の定量測定―」，光学，vol.30，no.9，pp.605-612（2001） Hiroshi Ohki, Ｙutaka Iwasaki, and JunIwasaki, "Differential interference contrast microscope with differentialdetection for optimiｚing image contrast," AppliedOptics, vol.35, no.13, pp.2230-2234(1996)

本発明は，簡便な装置で，観測対象の厚さ，反射率及び透過率の変化を観測することができる微分干渉顕微鏡，及びそのような顕微鏡に用いられる偏光イメージング装置を提供することを目的とする。

本発明は，細胞など動く観測対象を観測することができる微分干渉顕微鏡，及びそのような顕微鏡に用いられる偏光イメージング装置を提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，微分干渉顕微鏡における偏光子の代わりに１／４波長板を用いるとともに，観測系として所定の偏光子アレイ又は波長板アレイを具備する偏光イメージング装置を用いることで，観測対象を経た光の微小領域における強度及び位相を別々の情報として求めることができ，それにより，観測対象の厚さ，反射率及び透過率の変化を観測することができるという知見に基づくものである。

すなわち，本発明の第一の側面は，１／４波長板（７０６）と，偏光子ユニット（１２０７）を１個又は複数個含む偏光子アレイ（１２０１）と，受光素子アレイ（１２０２）と，画像処理部（９０４）と，を具備する偏光イメージング装置に関する。そして，１／４波長板（７０６）には，観測対象（７０４）を透過した光が入射する。偏光子ユニット（１２０７）には，１／４波長板（７０６）を透過した光が入射する。また，偏光子ユニット（１２０７）は，それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる。受光素子アレイ（１２０２）は，偏光子ユニットの各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）を透過した光を，各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）毎に受光する。画像処理部（９０４）は，前記受光素子アレイ（１２０２）が，受光した光の偏光成分を処理する。なお，本発明は，観測対象（７０４）を透過した光が入射する１／４波長板（７０６）と，
前記１／４波長板（７０６）を透過した光が入射し，それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる偏光子ユニット（１２０７）を１個又は複数個含む偏光子アレイ（１２０１）と，前記偏光子ユニットの各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）を透過した光を，各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）毎に受光する受光素子アレイ（１２０２）を具備する光学ユニットをも提供する。

後述するとおり，上記の構成を有する偏光イメージング装置を，微分干渉顕微鏡の構成に応用することで，簡便な装置で，観測対象の厚さ，反射率及び透過率の変化を観測することができる。

なお，画像処理部（９０４）が処理を行う「受光素子アレイ（１２０２）が受光した光の偏光成分の処理」は，後述するように，透過軸の異なる複数の偏光子を経た光の強度情報を用いて，四則演算処理を行うことにより，観測対象の透過率及び位相差を求めるものである。また，得られた値を用いて，透過率を空間的に微分した数値を求め，これを積分することで観測対象の画像を得るものである。具体的な，演算処理例としては，偏光子の透過軸が４５度ずつずれており，透過軸が０度と９０度のものから透過率を求める。そして，透過軸が４５度と１３５度のものの差分値と，求めた透過率とを用いて位相差を求めるものがあげられる。このようにして求めた微小領域の位相差を用いて観測対象画像を得る方法は，公知の微分干渉顕微鏡における処理方法と同様の処理方法を適宜行えばよい。

本発明の第一の側面の好ましい態様は，前記偏光子アレイ（１２０１）は，自己クローニング法により製造された偏光子アレイである，上記に記載の偏光イメージング装置である。自己クローニングを用いることにより，好ましい偏光子アレイを設計できる。

本発明の第一の側面の好ましい態様は，前記偏光子アレイ（１２０１）の各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）は，光源から放出される波長よりも微小な幅の金属細線の集合体又は誘電体細線の集合体により形成される上記に記載の偏光イメージング装置である。

本発明の第一の側面の好ましい態様は，微分干渉顕微鏡に用いられる上記いずれかに記載の偏光イメージング装置である。

本発明の第一の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載の偏光イメージング装置を具備する微分干渉顕微鏡である。すなわち，通常の微分干渉顕微鏡における受光素子の前に存在する偏光子の代わりに１／４波長板を設置し，所定の偏光子アレイを具備したイメージング装置を設置することで，微分干渉顕微鏡を得ることができることとなる。

具体的な微分干渉顕微鏡としては，光源からの光が入射する偏光子と，前記偏光子を経た光が入射する第１の偏光分離素子と，前記第１の偏光分離素子によって偏光分離された光であって観測対象を経たものが入射する第２の偏光分離素子と，前記第２の偏光分離素子を経た光が入射する１／４波長板と，前記１／４波長板を透過した光が入射し，それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる偏光子ユニットを１個又は複数個含む偏光子アレイと，前記偏光子ユニットの各領域を透過した光を，領域毎に受光する受光素子アレイと，前記受光素子アレイが受光した光の偏光成分を処理する画像処理部（９０４）と，を具備するものがあげられる。

なお，第１の偏光分離素子と，観測対象との間には，コンデンサ（レンズ）など公知の光学素子が適宜設置されてもよい。また，第２の偏光分離素子と，１／４波長板との間には，対物レンズなど公知の光学素子が適宜配置されてもよい。また，第２の偏光分離素子は，たとえば，対物レンズの焦点位置よりも１／４波長板側に設置されることが好ましい。また，第１の偏光分離素子と第２の偏光分離素子とは，同一の偏光分離特性を有するものが好ましい。

なお，１／４波長板の位置は，観測対象の前であっても構わない。具体的な微分干渉顕微鏡としては，光源からの光が入射する偏光子と，前記偏光子を経た光が入射する１／４波長板と，前記１／４波長板を経た光が入射する第１の偏光分離素子と，前記第１の偏光分離素子によって偏光分離された光であって観測対象を経たものが入射する第２の偏光分離素子と，前記第２の偏光分離素子を透過した光が入射し，それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる偏光子ユニットを１個又は複数個含む偏光子アレイと，前記偏光子ユニットの各領域を透過した光を，領域毎に受光する受光素子アレイと，前記受光素子アレイが受光した光の偏光成分を処理する画像処理部と，を具備するものがあげられる。

本発明の第２の側面は，それぞれ光軸方向が異なる３つ以上の波長板の領域（１４０３，１４０４，１４０５，１４０５）に分かれており，入射される入力光のうち，前記各領域によって各領域の光軸とそれに直行する偏光成分に異なる位相差を生じさせる波長板ユニット(１４０７)を１個又は複数個含む波長板アレイ(１４０１)と，前記波長板アレイ(１４０１)を経た光が入射する偏光子（１４０８）と，前記偏光子（１４０８）を経た光を，前記各領域（１４０３，１４０４，１４０５，１４０５）を透過した光毎に受光する受光素子アレイ(１４０２)と，前記受光素子アレイ(１４０２)が受光した光の偏光成分及び無偏光成分を処理する画像処理部(９０４)と，を具備する偏光イメージング装置に関する。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，前記波長板アレイ(１４０１)は，自己クローニング法により製造された波長板アレイである，上記に記載の偏光イメージング装置に関する。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，前記波長板アレイ(１４０１)の各領域（１４０３，１４０４，１４０５，１４０５）は，光源から放出される波長よりも微小な幅の金属細線の集合体又は誘電体細線の集合体により形成される上記に記載の偏光イメージング装置に関する。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，微分干渉顕微鏡に用いられる 上記に記載の偏光イメージング装置に関する。

本発明の第２の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載の偏光イメージング装置を具備する微分干渉顕微鏡に関する。

本発明の第一の側面の好ましい態様は，上記いずれかに記載の偏光イメージング装置を具備する微分干渉顕微鏡である。すなわち，通常の微分干渉顕微鏡における受光素子の前に存在する偏光子の代わりに１／４波長板を設置し，所定の波長板アレイを具備したイメージング装置を設置することで，微分干渉顕微鏡を得ることができることとなる。

具体的な微分干渉顕微鏡としては，光源からの光が入射する偏光子と，前記偏光子を経た光が入射する第１の偏光分離素子と，前記第１の偏光分離素子によって偏光分離された光であって観測対象を経たものが入射する第２の偏光分離素子と，前記第２の偏光分離素子を経た光が入射する１／４波長板と，前記１／４波長板を透過した光が入射し，それぞれ透過軸が異なる３つ以上の波長板の領域に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる波長板ユニットを１個又は複数個含む波長板アレイと，前記波長板ユニットの各領域を透過した光を，領域毎に受光する受光素子アレイと，前記受光素子アレイが受光した光の偏光成分を処理する画像処理部（９０４）と，を具備するものがあげられる。

なお，第１の偏光分離素子と，観測対象との間には，コンデンサ（レンズ）など公知の光学素子が適宜設置されてもよい。また，第２の偏光分離素子と，１／４波長板との間には，対物レンズなど公知の光学素子が適宜配置されてもよい。また，第２の偏光分離素子は，たとえば，対物レンズの焦点位置よりも１／４波長板側に設置されることが好ましい。また，第１の偏光分離素子と第２の偏光分離素子とは，同一の偏光分離特性を有するものが好ましい。

なお，１／４波長板の位置は，観測対象の前であっても構わない。具体的な微分干渉顕微鏡としては，光源からの光が入射する偏光子と，前記偏光子を経た光が入射する１／４波長板と，前記１／４波長板を経た光が入射する第１の偏光分離素子と，前記第１の偏光分離素子によって偏光分離された光であって観測対象を経たものが入射する第２の偏光分離素子と，前記第２の偏光分離素子を透過した光が入射し，それぞれ透過軸が異なる３つ以上の波長板の領域に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる波長板ユニットを１個又は複数個含む波長板アレイと，前記波長板ユニットの各領域を透過した光を，領域毎に受光する受光素子アレイと，前記受光素子アレイが受光した光の偏光成分を処理する画像処理部と，を具備するものがあげられる。

本発明によれば，簡便な装置で，観測対象の厚さ，反射率及び透過率の変化を観測することができる微分干渉顕微鏡，及びそのような顕微鏡に用いられる偏光イメージング装置を提供することができる。

本発明によれば，細胞など動く観測対象を観測することができる微分干渉顕微鏡，及びそのような顕微鏡に用いられる偏光イメージング装置を提供することができる。

本発明に係る偏光イメージング装置としては，それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる偏光子ユニットを１個又は複数個含む偏光子アレイと，前記各領域を透過した光を独立に受光する受光素子アレイと，前記受光素子アレイからの前記偏光成分及び無偏光成分を処理する画像処理部と，を有する偏光イメージング装置が挙げられる。

偏光子アレイとは，透過軸の異なる複数の偏光子をユニット化したもの（偏光子ユニット）を複数ユニット組み合わせたものであり，複数の偏光方向を有する光を抽出することができ，この複数抽出により解析精度が高められている。本明細書では，前記偏光子を「偏光子領域」ともよび，この偏光子領域は，例えば自己クローニング法により周期的に形成された凹凸の方向に垂直もしくは平行な偏光を透過し，それに直交する偏光を反射する特性を有する。また，例えばワイヤーグリッド型の偏光子では，偏光子領域に形成された金属細線の方向に垂直な偏光を透過し，金属細線の方向に平行な偏光を反射する特性を有する。この偏光子アレイを受光モジュールの一部に用いることで，受光素子アレイにおける素子（画素）単位で輝度情報に加えて偏光情報を同時に取得することができ，取得画像の局所的な偏光情報を検出することができる。
つまり，空間並列に向きの異なる偏光子を配置することで，カメラの前に偏光子を置いてまわした場合と同じ情報を一度に取得することができる。

偏光イメージング装置としては，前記偏光子アレイを用いたものの他に，それぞれ光軸方向が異なる３つ以上の波長板の領域に分かれており，入射される入力光のうち，前記各領域によって各領域の光軸とそれに直行する偏光成分に異なる位相差を生じさせる波長板ユニットを１個又は複数個含む波長板アレイと，前記各領域を透過した光を独立に受光する受光素子アレイと，前記波長板アレイと前記受光素子アレイとの間に配置された偏光子と，前記受光素子アレイからの前記偏光成分及び無偏光成分を処理する画像処理部と，を有する偏光イメージング装置が挙げられる。

波長板アレイとは，波長板の進相軸方位の異なる複数の波長板をユニット化したもの（波長板ユニット）を複数ユニット組み合わせたものであり，複数の偏光方向を有する光を抽出することができ，この複数抽出により解析精度が高められている。本明細書では，前記偏光子を「波長板領域」とも呼び，この波長板領域は，例えば自己クローニング法により周期的に形成された凹凸の方向に垂直もしくは平行に進相軸を持つ。また，例えば波長に比べ十分細い誘電体の柱を配した波長板では，柱に垂直もしくは平行に進相軸を持つ特性を有する。この波長板アレイを受光モジュールの一部に用い，波長板アレイと受光素子の間に偏光子を配置することで，受光素子アレイにおける素子（画素）単位で輝度情報に加えて偏光情報を同時に取得することができ，取得画像の局所的な偏光情報を検出することができる。

偏光イメージング装置を用いることで，微分干渉顕微鏡において１回の撮影結果から位相情報と強度情報をそれぞれ独立に処理することができる。従来必要であった回転部分が不要となり，システムが簡便となり，高速かつ信頼性の高いシステムが構築できる。

図１は，通常の透過型微分干渉顕微鏡の構成を示す図である。 図２は，通常の反射型微分干渉顕微鏡の構成を示す図である。 図３は，透過型微分干渉顕微鏡において，観測対象の透過率によって各部で偏光状態がどう変化するかを説明する図である。 図４は，透過型微分干渉顕微鏡において，観測対象の光学的厚さによって各部で偏光状態がどう変化するかを説明する図である。 図５は，文献１の微分干渉顕微鏡の構成を示す図である。 図６は，文献２の微分干渉顕微鏡の構成を示す図である。 図７は，本発明の実施形態にかかる偏光子アレイを用いた偏光イメージング装置と透過型微分干渉顕微鏡を組み合わせた構成図である。 図８は，本発明の実施形態にかかる波長板アレイを用いた偏光イメージング装置と透過型微分干渉顕微鏡を組み合わせた構成図である。 図９は，本発明の実施形態にかかる偏光イメージング装置の概略構成図である。 図１０は，フォトニック結晶からなる偏光子もしくは波長板の概念図である。 図１１は，図１０に示すフォトニック結晶の伝搬特性を表すバンド図である。 図１２は，透過軸が４種類の領域を有する偏光子ユニットを複数並べた偏光子アレイと，受光素子アレイとからなる受光モジュールの概略概観図である。 図１３は，実施形態に係る画像処理方法を説明するための，偏光子アレイと受光素子アレイの概略構成図である。 図１４は，進相軸が４種類の領域を有する波長板ユニットを複数並べた波長板アレイと，偏光子と受光素子アレイとからなる受光モジュールの概略概観図である。 図１５は，実施形態に係る画像処理方法を説明するための，波長板アレイと受光素子アレイの概略構成図である。 図１６は，実施例において観測された電子回路の表面を示す図面に代わる写真である。 図１７は，実施例において観測された電子回路の表面を示す図面に代わる写真である。

符号の説明

１０１ 光源
１０２ 偏光子
１０３ 偏光分離素子
１０４ 観測対象
１０５ 偏光分離素子
１０６ 偏光子
１０７ カメラ
２０１ 光源
２０２ 偏光子
２０３ ビームスプリッター
２０４ 偏光分離素子
２０５ 観測対象
２０６ 偏光子
２０７ カメラ
３０１ 偏光子１０２を透過した後の偏光状態
３０２ 偏光分離素子１０３を透過した後の偏光状態
３０３ 観測対象上の透過率の低い部分
３０４ 観測対象上の透過率の高い部分
３０５ 観測対象透過後の偏光状態
３０６ 偏光分離素子１０５を透過した後の偏光状態
３０７ 偏光子１０６を透過した後の偏光状態
４０１ 偏光子１０２を透過した後の偏光状態
４０２ 偏光分離素子１０３を透過した後の偏光状態
４０３ 観測対象上の光学的厚さの厚い部分
４０４ 観測対象上の光学的厚さの薄い部分
４０５ 観測対象透過後の偏光状態
４０６ 偏光分離素子１０５を透過した後の偏光状態
４０７ 偏光子１０６を透過した後の偏光状態
５０１ 光源
５０２ 偏光子
５０３ ４分の１波長板
５０４ 偏光分離素子
５０５ 観測対象
５０６ 偏光分離素子
５０７ 偏光子
５０８ カメラ
６０１ 光源
６０２ 偏光子
６０３ 偏光分離素子
６０４ 観測対象
６０５ 偏光分離素子
６０６ ４分の１波長板
６０７ ２分の１波長板
６０８ 偏光分離素子
６０９ ディテクタ
６１０ ディテクタ
７０１ 光源
７０２ 偏光子
７０３ 偏光分離素子
７０４ 観測対象
７０５ 偏光分離素子
７０６ ４分の１波長板
７０７ 偏光子アレイを用いた偏光イメージング装置
８０１ 光源
８０２ 偏光子
８０３ 偏光分離素子
８０４ 観測対象
８０５ 偏光分離素子
８０６ 波長板アレイを用いた偏光分離素子
９０１ 偏光イメージング装置
９０２ 偏光子アレイ
９０３ 受光素子アレイ
９０４ 受光モジュール
９０５ 画像処理部
９０６ 演算部
９０７ メインメモリ
９０８ 出力部
１００１ 周期的な溝列を形成した透明材料基板
１００２ 高屈折率の媒質
１００３ 低屈折率の媒質
１１０１ TM偏光のみが透過する周波数帯
１１０２ ＴＥ偏光のみが透過する周波数帯
１１０３ ＴＥ偏光，ＴＭ偏光ともに透過する周波数帯
１２０１ 偏光子アレイ
１２０２ 受光素子アレイ
１２０３ ｘ方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光子
１２０４ ｘ軸の正方向からｙ軸の正方向へ４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光子
１２０５ ｙ方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光子
１２０６ ｙ軸からｘ軸の負の方向に４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光子
１２０７ ４方向の偏光子領域を含む偏光子ユニット
１３０１ 偏光子アレイ
１３０２ 受光素子アレイ
１３０３ ｘ方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光子
１３０４ ｘ軸の正方向からｙ軸の正方向へ４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光子
１３０５ ｙ方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光子
１３０６ ｙ軸からｘ軸の負の方向に４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶偏光
１３０７ ４方向の偏光子領域を含む偏光子ユニット
１４０１ 波長板アレイ
１４０２ 受光素子アレイ
１４０３ ｘ方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１４０４ ｘ軸の正方向からｙ軸の正方向へ４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１４０５ ｙ方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１４０６ ｙ軸からｘ軸の負の方向に４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１４０７ ４方向の波長板領域を含む波長板ユニット
１４０８ 偏光子
１５０１ 波長板アレイ
１５０２ 受光素子アレイ
１５０３ ｘ方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１５０４ ｘ軸の正方向からｙ軸の正方向へ４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１５０５ ｙ方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１５０６ ｙ軸からｘ軸の負の方向に４５度傾けた方向に溝を形成したフォトニック結晶波長板
１５０７ ４方向の波長板領域を含む波長板ユニット

図７は，本発明の第１の側面にかかる偏光子アレイを用いた偏光イメージング装置と透過型微分干渉顕微鏡を組み合わせた構成図である。図７に示されるように進相軸がｘ方向もしくはｙ方向にある４分の１波長板７０６を挿入し，偏光イメージングカメラ７０７により各偏光方向の成分を観察することで，図６の２分の１波長板６０７を回転して得られる情報と同じ情報を一度の撮影で得ることができる。

図７においてｘ軸の正の方向を０度とし，ｙ軸の正の方向に向かって角度が増加するとして，偏光子７０２の透過軸を４５度方向に配置し，偏光分離素子７０３の異方性軸をｘ軸方向に設定し，光線をｘ方向に分離幅δｘだけ分離し観測対象７０４に入射する。観測対象７０４を透過した光は偏光分離素子７０５によって一つの光線に合成され，ｘ軸方向に進相軸を持つ４分の１波長板７０６を透過し，偏光イメージング装置７０７で像を観察する。偏光イメージング装置７０７では，透過軸が０度，４５度，９０度，１３５度の方向に配置された偏光子アレイを持ち，それぞれの方向の成分を検出できる。

偏光子７０２を透過した光の強度を１とし，観測対象面で２本に分かれた光線はそれぞれ透過率t₁ ²，t₂ ²の領域を透過し，その間に位相差Δが生じる場合，偏光方向０度，４５度，９０度，１３５度の成分の強度をI₀，I₄₅，I₉₀，I₁₃₅は下記式のように表される。

したがってI₀，I₉₀から観測対象７０４の透過率がわかり，I₄₅，I₁₃₅から位相差Δが求まる。またI₀とI₉₀の差をとることで，δｘの幅での透過率の変化を表すため，透過率を空間的に微分した画像が得られる。一方で位相差Δはδｘの幅での光学的厚さの変化を表す。

また図８に示すように，偏光分離素子８０５の光源と反対側に波長板アレイを用いた偏光イメージング装置８０６を配置し，像を得ることで，観測対象を透過した光の偏光情報を取得することができる。

図８においてｘ軸の正の方向を０度とし，ｙ軸の正の方向に向かって角度が増加するとして，偏光子８０２の透過軸を４５度方向に配置し，偏光分離素子８０３の異方性軸をｘ軸方向に設定し，光線をｘ方向に分離幅δｘだけ分離し観測対象８０４に入射する。観測対象８０４を透過した光は偏光分離素子８０５によって一つの光線に合成され，偏光イメージング装置７０６で像を観察する。偏光イメージング装置８０６では，進相軸が０度，４５度，９０度，１３５度の方向に配置された４分の１波長板アレイ偏光子アレイを持ち，受光素子との間に透過軸方位が０度の偏光子を配置する。

偏光子８０２を透過した光の強度を１とし，観測対象面で２本に分かれた光線はそれぞれ透過率t₁ ²，t₂ ²の領域を透過し，その間に位相差Δが生じる場合，波長板アレイの進相軸方向０度，４５度，９０度，１３５度の成分の強度をＩ_０，Ｉ_４５，Ｉ_９０，及びＩ_１３５とすると，それらは下記式のように表される。

式（１５）〜式（１８）と式（１９）〜式（２２）を比較すると明らかなように，偏光子アレイを用いた図７の構成と波長板アレイを用いた図８の構成では同じ情報を得ることができる。

以上，透過光学系の顕微鏡について説明したが，反射光学系についても同様の効果が得られることは明らかである。

装置構成の概要
以下，図面に基づいて，本発明の実施形態に係る偏光イメージング装置について説明する。図９は，本発明の実施形態に係る偏光イメージング装置の概略構成図である。図９に示すように，偏光イメージング装置９００は，偏光子アレイ９０１と偏光子アレイからの光を受光する受光素子アレイ９０２とからなる受光モジュール９０３と，受光素子アレイ９０２からの光に関する情報を処理する画像処理部９０４とを有する偏光イメージング装置である。

なお，画像処理部９０４は，偏光イメージング装置に備えられたＣＰＵなどの演算部９０５により，メインメモリ９０６中の制御プログラムから受けた指令，メモリなどの記憶手段から読み出された記憶情報などに基づいて，たとえば下記詳細に説明する画像処理を行うように構成されている。そして，得られた処理画像は，演算部９０５からの指令により，モニタやプリンタなどの出力部９０７から出力されるようになっている。

次に，偏光イメージング装置を実現する各構成，すなわち，偏光子アレイ９０１と受光素子アレイ９０２とからなる受光モジュール９０３，および画像処理部９０４における画像処理原理について説明する。

偏光子アレイ
図１０は，フォトニック結晶からなる偏光子の概念図である。まず，フォトニック結晶からなる偏光子について説明する。図１０のような周期的な溝列を形成した透明材料基板１００１上に，透明で高屈折率の媒質１００２と低屈折率の媒質１００３とを界面の形状を保存しながら，交互に積層する。各層はｘ方向に周期性を持つが，ｙ方向には一様であってもよいしｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造を有していてもよい。このような微細な周期構造（フォトニック結晶）は，自己クローニング技術と呼ばれる方式（特開平１０−３３５７５８号公報を参照）を用いることにより，再現性良く且つ高い均一性で作製することができる。

こうして作成された周期構造体にｘｙ面に垂直あるいは斜め方向から無偏波光または楕円偏光を入射すると，溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と，それに直交するｘ偏波とに対して，それぞれＴＥモードとＴＭモードの光が周期構造体の内部に励起される。ＴＥモードとＴＭモードの伝搬定数は，周期構造を構成する材料の屈折率，ｘｙ面の周期，積層周期によって広い範囲で選ぶことができる。

図１１は，図１０に示すフォトニック結晶の伝搬特性を表すバンド図である。同図には，高屈折率材料としてＳｉ，低屈折率材料としてＳｉＯ_２を用いた場合の２次元周期構造の分散曲線の例を示してある。縦軸は波長λの逆数を積層周期Ｌｚで規格化した値，横軸は１周期を伝搬したときの位相変化量ｋ_ｚＬ_ｚ（ｋ_ｚはｚ方向の伝播定数）をπで規格化した値である。白丸がＴＥ波，黒丸がＴＭ波を示す。Ｌ_ｘは面内方向の周期を表し，ここではＬ_ｚ／Ｌ_ｘ＝１としてある。

入射する光の周波数が，バンドギャップの中にあれば，そのモードは周期構造体の中で伝搬することができず，入射光は反射または回折される。一方，光の周波数がフォトニックバンド内にあれば，周期構造体の中を光は透過することができる。周波数領域３０１では，ＴＥ波はバンドギャップとなり反射され，ＴＭ波は伝搬域であるため透過され，従って偏光分離素子（特開２００１−８３３２１号公報，特開２０００−０５６１３３号公報（特許３２８８９７６号）を参照。）として動作する。周波数領域１１０２では，ＴＥ波が透過し，ＴＭ波が反射される偏光子として動作する。本構造の偏光子の特長は，透過光の消光比が高い，薄型軽量，任意の基板に形成可能，などが挙げられる。これまで数値シミュレーションと実験により，特に高周波数側の１１０１の領域を利用したもので，高い消光比５０ｄＢを少ない積層数１０周期で実現している。一方，周波数領域１１０３では，ＴＥ波とＴＭ波ともに伝搬域となり透過する。しかしこの場合，２つの曲線がずれていることからそれぞれの伝搬定数が異なり，２つのモードに位相差を与える波長板として動作することになる。

フォトニック結晶からなる偏光子や波長板は，構成する材料の屈折率，充填率，溝列の周期Ｌ_ｘ，積層方向の周期Ｌ_ｚを調整することで，動作波長域を自由に設定することができる。例えば，基板のパターンや製膜に使用する材料，および積層周期や積層数を適当に設計することにより，任意の位相差を与える波長板を設計可能であり，例えば位相差がπ／２となるようにすれば，１／４波長板として動作させることができる。さらに，溝の周期や方向は１枚の基板内の領域毎に独立に変えることができるため，フォトニック結晶の特性を領域毎に変えることができる。これをマルチパターンフォトニック結晶と呼ぶ。例えば，偏光子であれば領域毎に光軸方向を変えることができ，また波長板であれば，光軸方向や位相差を変えることができる。

フォトニック結晶を構成する低屈折率媒質としては，ＳｉＯ_２を主成分とする材料が最も一般的であり，透明波長領域が広く，化学的，熱的，機械的にも安定であり，製膜も容易に行うことができる。また，低屈折率媒質としてはその他の光学ガラス，例えばＭｇＦ_２のようなより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては，Ｓｉ，Ｇｅなどの半導体や，Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４などの酸化物や窒化物を用いることができる。半導体材料は屈折率が大きいため，大きなバンドキャップが得られるという利点があるが，利用波長域は近赤外に限定される。一方，酸化物や窒化物は透明波長範囲が広いことから，可視光領域でも使用することが可能となる。

自己クローニング法によりフォトニック結晶偏光子を作製する場合，まず基板上に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより，先の図１０の基板１００１に示したような周期的な溝を作製する。溝パターンの形成には，その他のフォトリソグラフィや干渉露光，金型によるスタンピング技術を用いても良い。また，図１０では溝の断面形状は矩形であるが，三角形など他の形でも良い。基板としてはＳｉや石英ガラス，その他の光学ガラスなどが使用できる。凹凸のピッチは入射する光の波長の半分程度，例えば０．８μｍの光では０．４μｍ程度，溝の深さは０．２μｍ程度である。

上述した偏光子の開口面積や透過軸は，はじめに基板に加工する溝パターンの大きさや方向で自由に設計することができる。パターン形成は，電子ビームリソグラフィ，フォトリソグラフィ，干渉露光法，ナノプリンティングなど様々な方法で行うことができる。いずれの場合でも，微小領域ごとに溝の方向を高精度に定めることができる。そのため，透過軸の異なる微小偏光子を組み合わせた偏光子ユニット，更にそれを複数並べた偏光子アレイを形成することが可能となる。また，凹凸パターンを持つ特定の領域のみが偏光子の動作をするため，その周辺の領域を平坦あるいは，面内で等方的な凹凸パターンにしておけば偏波依存性のない媒質として光は透過する。したがって，特定の領域にのみ偏光子を作りこむことができる。

この基板１００１上に，Ｔａ_２Ｏ_５およびＳｉＯ_２等のターゲットを用い，スパッタデポジションとバイアススパッタリングを組み合わせて交互多層膜を積層する。このとき，各層のｘ軸方向に周期的な凹凸形状が保存されるように，バイアス条件を適切に設定することが肝要である。この自己クローニング技術（特開平１０−３３５７５８号公報（特許３３２５８２５号）を参照。）は，再現性，均一性が高く，工業的に微細な周期構造（フォトニック結晶）を作製する優れた手法である。基板の上に規則的な積層構造が生成される理由は，（１）ターゲットからの中性粒子の分散入射による堆積，（２）Ａｒイオンの垂直入射によるスパッタエッチング，それと，（３）堆積粒子の再付着の３つの作用の重ね合わせによって説明することができる。

作製条件の一例としては，たとえば，Ｔａ_２Ｏ_５層の製膜では，ガス圧０．２７Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ），ターゲット印加高周波電力３００Ｗ，ＳｉＯ_２層の製膜では，ガス圧０．８０Ｐａ（６ｍＴｏｒｒ），ターゲット印加高周波電力３００Ｗ，スパッタエッチングはＳｉＯ_２層製膜後に行ない，ガス圧０．２７Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ），基板印加高周波電力９０Ｗの作製条件が挙げられる。

偏光子ユニットを構成する各領域（偏光子）としては，偏光子としての機能を有するものであれば特に限定されない。偏光子の例としては，上述した，自己クローニング技術により形成されたフォトニック結晶の他に，例えば，ワイヤーグリッド型偏光子などが挙げられる。

ワイヤーグリッド型の偏光子とは，細い金属ワイヤーを周期的に配列することにより形成された偏光子であり，従来，電磁波のミリ波領域において多く用いられてきた偏光子である。ワイヤーグリッド型偏光子の構造は，入力光の波長に比べて十分細い金属細線が波長に比べて十分に短い間隔で並んだ構造を有する。このような構造に光を入射した場合，金属細線に平行な偏光は反射され，それに直交する偏光は透過されることはすでに知られている（例えば，米国特許６１２２１０３号を参照）。金属細線の方向については，１枚の基板内において領域ごとに独立に変化させて作製することができるため，ワイヤーグリッド偏光子の特性を領域毎に変えることができる。これを利用すれば，本実施形態における偏光子ユニットのような，例えば領域毎に透過軸の方向を変化させた構造とすることができる。

ワイヤーグリッドの作製方法としては，基板上に金属膜を形成し，リソグラフィによりパターニングを行うことで，細線状の金属を残すことができる。他の作製方法としては，リソグラフィにより基板に溝を形成し，この溝の方向とは直角で基板の法線から傾いた方向（基板面に斜めの方向）から真空蒸着により金属を成膜することで作製することができる。真空蒸着では蒸着源から飛来する粒子はその途中で他の分子もしくは原子にほとんど衝突することはなく，粒子は蒸着源から基板にむかって直線的に進むため，溝を構成する凸部にのみ成膜される一方，溝の底部（凹部）では，凸部に遮蔽されほとんど成膜されない。したがって，成膜量を制御することで，基板上に形成された溝の凸部にのみ金属膜を成膜することができ，金属細線を作製することができる。

その他の作製方法としては次の例が挙げられる。表面に凹凸を有する基板を作製するためには，通常，基板上にレジストを塗付し，リソグラフィにより露光・現像を行い，ドライもしくはウエットのエッチング処理により，レジストを残したまま下地基板にパターニングを行う。したがって，通常，エッチング処理が終了した時点ではレジストは基板上の凸部上部に存在する。この状態において，真空蒸着により基板の垂直方向から金属膜を成膜した場合，レジスト上及び溝の底部には金属膜が成膜されるが，溝の側面（壁面）にはほとんど成膜されない。次に，レジストを溶剤で溶かすことにより，レジスト上の金属膜を剥離し，溝の底部のみに金属を残すことができる。

上述するようにして金属細線を作製することができるが，干渉露光法においてこの金属細線を微小領域ごとに透過軸を変えて作製する方法としては，例えば，基板上において領域ごとのマスクをして上記方法を実施すればよい。例えば，４つの偏光子領域を有する偏光子ユニットを複数個並列させて偏光子アレイを作製する場合には，基板上に金属膜を形成した後，第１の領域を開口すると共に第２から第４の領域を遮蔽したマスクを用いて，第１の領域における金属細線を作製し，これを順次繰り返すことにより，第２から第４の領域にもそれぞれ透過軸が異なる金属細線を作製することができる。基板に溝（凹凸）を形成する方法でも，同様に領域ごとにマスクを利用することで作製することができる。

なお，ワイヤーグリッド型偏光子に用いられるワイヤー金属としては，アルミニウムもしくは銀が望ましいが，例えばタングステンなど，そのほかの金属であっても同様の現象を実現できる。また，リソグラフィとしては，光リソグラフィ，電子ビームリソグラフィ又はＸ線リソグラフィなどが挙げられるが，可視光での動作を想定すると細線の間隔が１００ｎｍ程度になるため，電子ビームリソグラフィもしくはＸ線リソグラフィがより望ましい。また，金属の成膜では真空蒸着が望ましいが，主として基板に入射する粒子の方向性が重要であるので，高真空度の雰囲気におけるスパッタリング，もしくはコリメーターを用いたコリメーションスパッタでも可能である。

上述した偏光子の開口面積や透過軸は，はじめに基板に加工する溝パターンの大きさや方向で自由に設計することができる。パターン形成は，電子ビームリソグラフィ，フォトリソグラフィ，干渉露光法，ナノプリンティングなど様々な方法で行うことができる。いずれの場合でも，微小領域ごとに溝の方向を高精度に定めることができる。そのため，透過軸の異なる微小偏光子を組み合わせた偏光子ユニット，更にそれを複数並べた偏光子アレイを形成することが可能となる。また，凹凸パターンを持つ特定の領域のみが偏光子の動作をするため，その周辺の領域を平坦あるいは，面内で等方的な凹凸パターンにしておけば偏波依存性のない媒質として光は透過する。したがって，特定の領域にのみ偏光子を作りこむことができる。一列以上でも作製することができる。

以下の説明は，偏光子ユニットを構成する領域（偏光子）として，フォトニック結晶を用いた例について説明する。なお，ワイヤーグリッド型の偏光子やその他の偏光子であっても同様の説明で実施することができる。

図１２は，透過軸が４種類の領域を有する偏光子ユニットを複数並べた偏光子アレイと，受光素子アレイとからなる受光モジュールの概略概観図である。図１２に示すように，受光モジュールは偏光子アレイ１２０１と受光素子アレイ１２０２を重ね合わせて構成される。なお，図１２には，説明のため各アレイを離して図示してある。

まず，偏光子アレイ１２０１について説明する。偏光子の構造は図１０に示す構造からなり，直交座標系ｘ，ｙ，ｚにおいて，ｘｙ面に平行な１つの基板の上に２種以上の透明材料をｚ方向に交互に積層した多層構造体（例えばＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の交互多層膜）からなる。偏光子ユニット１２０７は，ｘｙ面内において３つ以上の領域，本実施形態では４つの領域１２０３〜１２０６に分かれていて，各領域で各膜は凹凸形状を有しており，この凹凸形状は領域毎に定まるｘｙ面内の一つの方向に周期的に繰り返されて形成されている。

第１の領域１２０３は溝の方向がｘ軸に対して０°であり，第２の領域１２０４は４５°，第３の領域１２０５は９０°，第４の領域１２０６は１３５°となっている。（ｘ軸を基準とする必要はなく，他の軸を基準として定義することもできる。）但し，配列順番は限定されるものではなく，自由に配置することができ，本実施形態では，偏光子ユニット１２０７内に溝方向の角度が０°，４５°，９０°，１３５°の領域が形成されていればよい。それぞれの領域は，先に述べたフォトニック結晶偏光子として動作する。すなわち，ｘｙ面に入射される入力光から，各領域によって偏光方向が異なる偏光成分を透過させると共に，全領域において，それぞれ等量の無偏光成分を透過させるようになっている。なお，本実施形態では，偏光子の透過軸は４種類であるが，凹凸の軸方向は０°と６０°と１２０°の３種類でも良いし，４方向以上であっても良い。

ここでフォトニック結晶偏光子は，カメラ撮影用として，例えば面内の周期を０．４４μｍ，積層周期を０．４４μｍ，Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の膜厚比を４：６とし，その動作波長が例えば波長０．８μｍ帯で動作するように設計する例が挙げられる。図１０の構造体に光を垂直方向から入射したとき，溝に平行な偏光は反射され，透過方向には減衰され，その減衰率は１５周期で３０ｄＢ程度となる。一方，溝に垂直な偏光は伝搬し，その透過損失は１０周期で０．１ｄＢ以下となる。しかしながら，材料の選定や構造パラメータの選定には自由度がある。例えば，高屈折率材料としては，Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５，HfO₂でもよく，低屈折率としてはパイレックス（登録商標）ガラス，ＭｇＦ_２，その他光学ガラスでもよい。動作波長が赤外であれば高屈折率材料としてＧｅ，ＳｉＧｅなどを使うこともできる。また，膜厚比，面内周期，積層周期，斜面の角度に各偏波の分散関係は依存し，偏光子として動作する波長帯が変化する。従って，可視・紫外から赤外までの任意の波長帯に対して設計，作製できる。

ここで基板表面の溝形成は電子ビームリソグラフィと反応性エッチングを用いることができる。その他，フォトリソグラフィでもピッチに対して適した光の波長を選んでおけば形成可能である。偏光子アレイを構成する各領域の大きさは，５０μｍ角が挙げられるが，それよりも大きくても（例えば１０００μｍ角），小さくても（例えば５μｍ角）良い。また，正方形のパターンだけでなく，三角形，長方形，六角形など任意である。このようにして，領域毎に透過偏光方向の異なる偏光子アレイを形成できる。

この偏光子アレイ１２０１を，受光素子（画素）が同じ周期で配列された受光素子アレイ１２０２の上に搭載することにより，偏光状態を測定する。光受光素子は，ＣＣＤ，半導体フォトダイオード，Ｃ−ＭＯＳや撮像管でも良い。ＣＣＤの場合では，一つの領域（画素）の大きさが数μｍから数十μｍであるので，偏光子アレイと組み合わせることで，高精度な画像情報として，光の偏光状態を観測できる。

図１３は，実施形態に係る画像処理方法を説明するための，偏光子アレイと受光素子アレイの概略構成図である。図１３に示すように，偏光子アレイ１３０１を構成する複数の偏光子ユニット１３０７があり，当該偏光子ユニット１３０７は４つの偏光子領域１３０３〜１３０７を有する。一方，受光素子アレイ１３０２は複数の受光素子を有し，受光素子1302-0（領域番号ｍ＝０）が領域１３０３からの透過光を受光し，受光素子1302-1（領域番号ｍ＝１）が領域１３０４からの透過光を受光し，受光素子1302-2（領域番号ｍ＝２）が領域１３０５からの透過光を受光し，受光素子1302-3（領域番号ｍ＝３）が領域１３０６からの透過光を受光する。

図１３には，１ユニットに４つの領域が均一な方向ずれをもって形成された場合を示しているが，３つ以上の領域に分割されていればよく，１ユニットに９領域であっても，１６領域であっても構わない。また１領域の偏光子に受光素子１つが対応しているが，１領域に複数の受光素子を対応させても構わない。その場合，隣接する偏光子領域からの漏れ光が低減される。また複数の受光素子の平均を撮ることで，ランダムなノイズを低減することができる。

図１４は，透過軸が４種類の領域を有する偏光子ユニットを複数並べた偏光子アレイと，受光素子アレイとからなる受光モジュールの概略概観図である。図１４に示すように，受光モジュールは波長板アレイ１４０１と受光素子アレイ１４０２と偏光子１４０８を重ね合わせて構成される。なお，図１４には，説明のため各アレイを離して図示してある。

まず，波長板アレイ１４０１について説明する。波長板の構造は図１０に示す構造からなり，直交座標系ｘ，ｙ，ｚにおいて，ｘｙ面に平行な１つの基板の上に２種以上の透明材料をｚ方向に交互に積層した多層構造体（例えばＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の交互多層膜）からなる。偏光子ユニット１４０７は，ｘｙ面内において３つ以上の領域，本実施形態では４つの領域１４０３〜１４０６に分かれていて，各領域で各膜は凹凸形状を有しており，この凹凸形状は領域毎に定まるｘｙ面内の一つの方向に周期的に繰り返されて形成されている。

第１の領域１４０３は溝の方向がｘ軸に対して０°であり，第２の領域１４０４は４５°，第３の領域１４０５は９０°，第４の領域１４０６は１３５°となっている。（ｘ軸を基準とする必要はなく，他の軸を基準として定義することもできる。）但し，配列順番は限定されるものではなく，自由に配置することができ，本実施形態では，波長板ユニット１４０７内に溝方向の角度が０°，４５°，９０°，１３５°の領域が形成されていればよい。それぞれの領域は，先に述べたフォトニック結晶波長板として動作する。なお，本実施形態では，波長板の進相軸は４種類であるが，凹凸の軸方向は０°と６０°と１２０°の３種類でも良いし，４方向以上であっても良い。

ここでフォトニック結晶波長板は，カメラ撮影用として，例えば面内の周期を０．２μｍ，積層周期を０．１６μｍ，Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の膜厚比を１:１とし，その動作波長が例えば波長０．５μｍ帯で動作するように設計する例が挙げられる。この場合，図１１の周波数帯１１０３で動作する。図１０の構造体に光を垂直方向から入射したとき，溝に垂直な偏光と平行な偏光の間で位相差が生じる。溝に垂直な方向が進相軸である。位相差は積層数で調整できるため，例えば０．５μｍで４分の一波長として動作させる場合は，１０周期である。しかしながら，材料の選定や構造パラメータの選定には自由度がある。例えば，高屈折率材料としては，Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２でもよく，低屈折率としてはパイレックス（登録商標）ガラス，ＭｇＦ_２，その他光学ガラスでもよい。動作波長が赤外であれば高屈折率材料としてＧｅ，ＳｉＧｅなどを使うこともできる。また，膜厚比，面内周期，積層周期，斜面の角度に各偏波の分散関係は依存し，波長板として動作する波長帯が変化する。従って，可視・紫外から赤外までの任意の波長帯に対して設計，作製できる。

ここで基板表面の溝形成は電子ビームリソグラフィと反応性エッチングを用いることができる。その他，フォトリソグラフィでもピッチに対して適した光の波長を選んでおけば形成可能である。波長板アレイを構成する各領域の大きさは，５０μｍ角が挙げられるが，それよりも大きくても（例えば１０００μｍ角），小さくても（例えば５μｍ角）良い。また，正方形のパターンだけでなく，三角形，長方形，六角形など任意である。このようにして，領域毎に進相軸方向の異なる波長板アレイを形成できる。

この波長板アレイ１４０１を，受光素子（画素）が同じ周期で配列された受光素子アレイ１４０２の上に搭載し，その間に偏光子１４０８を配置することにより，偏光状態を測定する。光受光素子は，ＣＣＤ，半導体フォトダイオード，Ｃ−ＭＯＳや撮像管でも良い。ＣＣＤの場合では，一つの領域（画素）の大きさが数μｍから数十μｍであるので，偏光子アレイと組み合わせることで，高精度な画像情報として，光の偏光状態を観測できる。

図１５は，実施形態に係る画像処理方法を説明するための，波長板アレイと受光素子アレイの概略構成図である。間の偏光子は省略してある。図１５に示すように，波長板アレイ１５０１を構成する複数の波長板ユニット１５０７があり，当該波長板ユニット１５０７は４つの波長板領域１５０３〜１５０７を有する。一方，受光素子アレイ１５０２は複数の受光素子を有し，受光素子１５０２−０（領域番号ｍ＝０）が領域１５０３からの透過光を受光し，受光素子１５０２−１（領域番号ｍ＝１）が領域１５０４からの透過光を受光し，受光素子１５０２−２（領域番号ｍ＝２）が領域１５０５からの透過光を受光し，受光素子１５０２−３（領域番号ｍ＝３）が領域１５０６からの透過光を受光する。

図１５には，１ユニットに４つの領域が均一な方向ずれをもって形成された場合を示しているが，３つ以上の領域に分割されていればよく，１ユニットに９領域であっても，１６領域であっても構わない。また１領域の偏光子に受光素子１つが対応しているが，１領域に複数の受光素子を対応させても構わない。その場合，隣接する偏光子領域からの漏れ光が低減される。また複数の受光素子の平均を撮ることで，ランダムなノイズを低減することができる。

作製した偏光イメージング装置を用いて，図７の構成で電子回路の表面を観察した。偏光イメージング装置は横１０２４画素，縦８６８画素の画素数のＣＣＤ上に偏光子アレイを形成したもので，毎秒９．４フレームで前記計算を行い，画像を逐次表示することができる。１画素のサイズは４．６５μｍであり，今回は０度，４５度，９０度，１３５度の方向を持つ偏光子の領域を１画素に対応させ，４画素を１ユニットとし，偏光情報を計算した。観察した結果を図１６，図１７に示す。図１６に示されるものは，式１５に示す光の強度だけの情報を意味する。図１７は式１５，式１６より得られたt₁，t₂の値を式１８に代入し，得られたsinΔの絶対値を２５５倍にし、２５６階調の明暗で示したものである。図１７で明るく見えている部分は観測対象上で２本に分かれた光線間に位相差があるということである。つまり空間的な光学的厚さの変化率が大きいことを意味する。例えば段差のエッジの部分では明るく見えることになる。この変化率から厚さを推定することができる。また図１６と比較してもわかるように，光の強度の情報は除去され，位相の情報のみが取り出されていることがわかる。

本発明の顕微鏡システムは，半導体基板上の異物検査や，パターンの凹凸の定量解析に用いられる。また生態観察においても透明な細胞を観察しやすくするためにも利用可能である。

Claims (10)

1. 観測対象（７０４）を透過した光が入射する１／４波長板（７０６）と，
   
   前記１／４波長板（７０６）を透過した光が入射し，
   それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）に分かれており，前記各領域によって偏光方向が異なる前記入力光の偏光成分を透過させる偏光子ユニット（１２０７）を１個又は複数個含む偏光子アレイ（１２０１）と，
   
   前記偏光子ユニットの各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）を透過した光を，各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）毎に受光する受光素子アレイ（１２０２）と，
   
   前記受光素子アレイ（１２０２）が受光した光の偏光成分を処理する画像処理部（９０４）と，
   
   を具備する偏光イメージング装置。
2. 前記偏光子アレイ（１２０１）は，
   自己クローニング法により製造された偏光子アレイである，
   請求項１に記載の偏光イメージング装置。
3. 前記偏光子アレイ（１２０１）の各領域（１２０３，１２０４，１２０５，１２０６）は，
   光源から放出される波長よりも微小な幅の金属細線の集合体又は誘電体細線の集合体により形成される
   請求項１に記載の偏光イメージング装置。
4. 微分干渉顕微鏡に用いられる請求項１に記載の偏光イメージング装置。
5. 請求項１に記載の偏光イメージング装置を具備する微分干渉顕微鏡。
6. それぞれ光軸方向が異なる３つ以上の波長板の領域（１４０３，１４０４，１４０５，１４０５）に分かれており，入射される入力光のうち，前記各領域によって各領域の光軸とそれに直行する偏光成分に異なる位相差を生じさせる波長板ユニット(１４０７)を１個又は複数個含む波長板アレイ(１４０１)と，
   
   前記波長板アレイ(１４０１)を経た光が入射する偏光子（１４０８）と，
   
   前記偏光子（１４０８）を経た光を，前記各領域（１４０３，１４０４，１４０５，１４０５）を透過した光毎に受光する受光素子アレイ(１４０２)と，
   
   前記受光素子アレイ(１４０２)が受光した光の偏光成分及び無偏光成分を処理する画像処理部(９０４)と，
   
   を具備する偏光イメージング装置。
7. 前記波長板アレイ(１４０１)は，
   自己クローニング法により製造された波長板アレイである，
   請求項６に記載の偏光イメージング装置。
8. 前記波長板アレイ(１４０１)の各領域（１４０３，１４０４，１４０５，１４０５）は，
   光源から放出される波長よりも微小な幅の金属細線の集合体又は誘電体細線の集合体により形成される
   請求項６に記載の偏光イメージング装置。
9. 微分干渉顕微鏡に用いられる 請求項６に記載の偏光イメージング装置。
10. 請求項６に記載の偏光イメージング装置を具備する微分干渉顕微鏡。
    

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